邵鼎煜与其合作者在量子色动力学喷注理论研究中取得重要进展

作者:刘岍琳摄影: 视频: 来源:新闻文化网发布时间:2021-12-10

引力相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用统称为基本相互作用(fundamental interaction),为物质间最基本的相互作用,常称为自然界四力或宇宙基本力。迄今为止观察到的所有关于物质的物理现象,都可借助这四种基本相互作用的机制得到描述和解释。理解基本相互作用的本质是自然科学最前沿的研究领域。

强相互作用(strong interaction)是自然界四种基本相互作用中最强的一种。描述强相互作用的量子色动力学(Quantum Chromodynamics,简称QCD),是粒子物理标准模型的重要组成部分。

我校物理学系青年研究员邵鼎煜与其合作者在量子色动力学喷注理论研究中取得重要进展。他们基于重整化群理论,发展了新方法,研究了喷注产生过程中的“超级领头对数”效应,首次得到了所有阶重求和的解析结果,并且发现了适用于任意反应过程的普适公式。

存在于宇宙中的物质都是由原子构成,原子由原子核和电子构成,而原子核又是由中子和质子组成。中子没有电荷,而质子则带正电荷;他们之间需要牵引力把它们结合在一起。强相互作用就是这种“牵引力”,因此强相互作用又称为强核力。

人们最早是从研究核子(质子或中子)之间的核力开始,来研究强相互作用的,它是使核子结合成原子核的力。1947年,科学家发现了这种传递核子间相互作用的中间π介子以后,实验中陆续发现了几百种参与强相互作用的粒子,这些粒子统称为强子。对强相互作用本质的探索,一直是物理学中的难题。科学家们提出了许多研究强作用的理论,但取得的成就都很有限。原因之一是理论中没有小参量,找不到可靠的近似方法。从强子的夸克模型和规范场的概念出发,科学家们提出了量子色动力学,这个理论有在短程作用中逐渐变弱的性质,称为渐近自由。这是强相互作用的一个重要性质,且已被实验证实。目前量子色动力学的理论预言和实验结果符合的很好,取得了极大的成功,被认为是强作用基本理论。

QCD 涉及的物理现象非常丰富,其中一个重要的预言就是喷注的产生。喷注描述了高能散射中夸克、胶子通过碎裂产生高能量的强子束流的物理过程。2006年,英国曼彻斯特大学的理论物理学家发现,喷注产生的理论计算在微扰论四圈水平上会出现“超级领头对数”效应。然而从那以后,人们对这种效应的物理性质并没有进一步的理解,其主要困难是相关理论框架不完善。其中不仅涉及到高圈多腿的费曼积分,而且还包含了高维度颜色矩阵的计算等难点。

邵鼎煜与其合作者的这项研究表明,超级领头对数的渐进行为与通常人们所熟知的Sudakov对数非常不同,从而揭示了Yang-Mills理论中散射过程红外结构的非平庸性。同时发现,在考虑五圈量子修正后,即使对Drell-Yan、或胶子融合Higgs产生等颜色结构较简单的反应过程,超级领头对数也会产生贡献,相应的数值计算表明该效应对目前理论结果的修正可以达到5%以上。

该工作于2021年11月19日在线发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters,127, 212002 (2021)按照高能物理学界的惯例,文章依姓氏英文字母顺序署名),邵鼎煜是文章的共同通讯作者。论文链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.212002


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